СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2012 года по МПК H01M8/04 

Системы топливных элементов используются для преобразования энергии из жидкого и газообразного топлива в электрический ток и тепло. Преобразование энергии происходит бесшумно в топливном элементе и с КПД от 50% до 60% во время преобразования химического продукта в электрическую энергию, в зависимости от выбранной плотности тока в элементе. Преимущества над генератором тока с приводом от двигателя эффективны, в частности, в киловаттном диапазоне в случае малых выходных мощностей, которые требуются для удаленного электроснабжения и для децентрализованного теплоэнергетического взаимодействия. Следовательно, работа по разработке систем топливных элементов выполняется в мировом масштабе, однако до сих пор без какого-либо прорыва на рынке.

Причинами этого являются главным образом высокие издержки производства для законченной, очень сложной системы. Эта система содержит переработку топлива (используя так называемый топливный процессор) с риформинг-установкой и батареей топливных элементов, а также с периферийными компонентами, такими как теплообменники, насосы, клапаны и электрическое устройство для автоматической работы.

Топливные элементы PEM, которые оборудуются полимерными мембранами и спроектированы для функционирования при температурах вплоть до приблизительно 80°C, требуют тонкой очистки от CO у продукта риформинга в диапазоне ppm и дорогого использования водных ресурсов для увлажнения воздуха около катода. В этом случае техническая вода для паровой риформинг-установки может не испаряться с помощью тепла отработанных газов батареи, потому что температура слишком низкая для этого.

Документ WO 2005/084771 A2 описывает компактную риформинг-установку со встроенным испарителем. Она может использоваться для риформинга с КПД вплоть до 80%. Результирующий электрический КПД для всей системы равен 35-40%, если принимаются во внимание потери от 10% до 15% выработки валовой мощности вследствие вспомогательных сборочных узлов, таких как насосы, вентиляторы и преобразователи тока.

Рассматривая высокотемпературные элементы PEM (публикация PEMEAS und Pat), которые стали доступными в последнее время и работают при температурах от 120 до 200°C, тонкая очистка от CO и использование водных ресурсов могут пропускаться, соответственно допуская значительное упрощение процесса. К тому же, тепло отработанных газов у батареи может использоваться для испарения технической воды.

Цель изобретения - дополнительно упростить общий процесс на основе высокотемпературных элементов, чтобы снизить издержки производства и обеспечить более безопасную автоматическую работу. При этом электрический КПД всей системы должен не опускаться ниже уровня в 35-40% и, если возможно, быть даже выше.

Эта цель достигается с помощью системы топливных элементов в соответствии с признаками по п.1 формулы изобретения.

Высокотемпературная батарея и предпочтительно также стадия сдвига или реактор сдвига охлаждаются в прямом контакте с каналами испарения и термостатируются с помощью давления пара. Таким образом, используется тепло отработанных газов по меньшей мере из батареи и, при желании, также из реактора сдвига, соответственно повышая КПД.

Размер и сложность устройства уменьшается. В дополнение к батарее и риформинг-установке, по существу, требуются только воздуходувка, водяной насос, конденсатор, а также немного клапанов и патрубков. Отдельно нагреваемый генератор пара является излишним.

Управление процессом и мониторинг процесса очень простые. Имеется только одна схема управления для температуры риформинг-установки. В отношении массовых расходов топлива, воздуха и воды приблизительно пропорциональное управление является достаточным.

Электрические КПД для всей системы выше, чем у систем предшествующего уровня техники. В сочетании с генератором пара возможно достичь электрического КПД больше 40%, а с помощью использования автотермической риформинг-установки - вплоть до 35%. В обоих случаях итоговый КПД для тока и тепла приблизительно равен 100%.

На чертежах показаны типовые варианты осуществления изобретения. Чертежи предназначены для дополнения описания. Они показывают на

Фиг.1 схематическое представление типового варианта осуществления системы в соответствии с изобретением, и

Фиг.2 измененный вариант осуществления системы в соответствии с изобретением.

Пример в соответствии с фиг.1

Для генерации электрической энергии предоставляется батарея 1 топливных элементов, причем упомянутая батарея работает при температуре около 100°C, предпочтительно при температуре около 120°C. Пар для риформинг-установки формируется с помощью тепла отработанных газов у батареи 1, причем упомянутая батарея термостатируется с помощью давления пара при нужной температуре. Это выполняется посредством каналов 2 испарения, например, в виде одной (или более) труб испарителя, например, сконфигурированных в виде шлангов, размещенных непосредственно на батарее 1, а также посредством нагнетательного клапана 16 на выпуске созданного таким образом испарителя. В простейшем случае, например, в случае постоянной выходной мощности, нагнетательный клапан является настраиваемым клапаном. В случае меняющихся нагрузок упомянутый клапан является, например, подпружиненным поддерживающим давление клапаном. В качестве альтернативы выполненное таким образом поддерживающее давление устройство может также представляться управляемым клапаном с электронным контроллером.

Поскольку автоматическое управление температурой батареи работает только посредством давления пара в области влажного пара, насос 8, предусмотренный для снабжения канала 2 испарения, подает больше воды в испаритель, то есть в каналы 2 испарения, необходимые для испарительного охлаждения. Образуется смесь воды/пара. Избыточная вода отделяется в сепараторе 15, который располагается по ходу поддерживающего давление клапана 16. Вода, отделенная в сепараторе 15, возвращается в буферный резервуар 9.

Количество пара, сформированного батареей, пропорционально энергии, преобразованной в батарее (и соответственно также пропорционально сформированной электрической энергии), и приводит к соотношению S/C (пар/углерод), приблизительно равному пяти. Большой избыток пара, по сравнению с обычным соотношением равным 3, положительно влияет на безопасность процесса и не влияет отрицательно на КПД.

Испарение воды требует, чтобы батарея 1 имела минимальную температуру. Поэтому батарея 1 предпочтительно поддерживается с температурой в режиме ожидания. Это выполняется с помощью сосуда 3 с вакуумной изоляцией, в котором размещается батарея вместе с нагревателем 4.

После риформинга содержание CO в продукте риформинга должно быть снижено в высокотемпературных батареях с 8-12 объемных % до приблизительно 1 объемного %, что достигается с помощью реакции экзотермического сдвига на катализаторах в температурном диапазоне около 200°C. Обычно реактор сдвига является неотъемлемой частью риформинг-установки (см. WO 2005/084771). Настоящее изобретение отходит от этого принципа. Этот температурный диапазон перекрывается температурным диапазоном батареи 1. Упомянутый температурный диапазон составляет, например, 160°-200°. Поэтому предпочтительно, чтобы реактор 5 сдвига, взаимодействующий с каналами 6 испарения, был встроен в термоконтейнер батареи 1. Таким образом, он может также подходить для работы при рабочей температуре с нагревателем 4 в режиме ожидания. К тому же, трубы 2 и 6 испарителя могут соединяться последовательно, чтобы вода/пар могли течь через них последовательно.

Пароструйный насос 17 может соединяться с поддерживающим давление клапаном 16, чтобы питать упомянутый насос. С помощью использования этого насоса и посредством клапана 15, соединенного с всасывающим соединителем упомянутого насоса, забирается топливо, соответственно делая топливный насос излишним. Пароструйный насос выбрасывает смесь пара/топлива на его выпуске. Эта смесь подается в риформинг-установку 23 через теплообменник 20, где она дополнительно нагревается. Теплообменник 20 нагревается с помощью тепла от произведенного продукта риформинга.

Ссылаясь на паровую риформинг-установку в соответствии с фиг.1, следующие компоненты располагаются в изотермическом сосуде 21:

- реактор 23 риформинга, который опосредованно нагревается и заполняется катализатором,

- камера сгорания 24, которая работает рационально в соответствии с принципом беспламенного окисления (FLOX), чтобы избежать образования NOX (окислов азота),

- теплообменник 20, в котором смесь топлива/пара, выбрасываемая струйным насосом 17, предварительно подогревается, предпочтительно противоточно вытекающему продукту риформинга, и

- теплообменник 19, который используется для предварительного подогрева воздуха для горения, перемещаемого вентилятором 13, и отопительного газа, который по существу состоит из остаточного газа от топливного элемента 1, предпочтительно противоточно к отработавшему газу камеры 24 сгорания.

Если высокоэффективные противоточные устройства используются для теплообменников 19 и 20, то КПД у риформинг-установки составляет больше 90%, и соответственно на 10% выше, чем в случае риформинг-установки со встроенным испарителем для низкотемпературных батарей.

Продукт риформинга направляется в реактор 5 сдвига и затем в батарею 1. Остаточный газ, выходящий из батареи, все еще содержит от 15 до 25% запаса энергии продукта риформинга. Этого не вполне достаточно для нагрева продукта риформинга, и поэтому продукт риформинга может быть возвращен в камеру 24 сгорания через клапан 18.

Отработавший газ из камеры 24 сгорания и отработанный воздух батареи 1 охлаждаются в конденсаторе 11 до температуры конденсации, чтобы замкнуть водяной контур. Это приводит к итоговому КПД системы для тока и тепла приблизительно в 100%, относительно нижней теплотворной способности (так называемая работа с теплотворной способностью). К конденсатору 11 подсоединена тепловая развязка, которая может использоваться для отвода тепловой мощности, например, чтобы обогревать здание.

Автоматическое управление всей системой с помощью устройства 25 контроллера очень простое. В зависимости от того, должна система работать с током или теплом в качестве носителя, сигнал отвода 7 тока или для развязки 12 тепла используется для изменения, приблизительно пропорционально,

- подачи топлива с помощью клапана 14,

- воздуха с помощью вентилятора 13, и/или

- количества воды с помощью насоса 8.

Точное соотношение массовых расходов не ослабляет безопасность процесса, потому что вода перемещается в избытке, и количество воздуха также не критично. Только электрический КПД системы несущественно затрагивается. Также вследствие того, что отработавшие газы охлаждаются до конденсации, итоговый КПД очень хороший.

Управление температурой у паровой риформинг-установки, содержащее температурный датчик 22 и клапан 18, представляет собой только обязательную схему управления.

Пример в соответствии с фиг.2

Также возможно соединить систему топливных элементов, в соответствии с изобретением, с автотермической риформинг-установкой. Используя те же знаки ссылок в качестве основы, применяется предыдущее описание. К тому же применяется нижеследующее. Автотермический риформинг топлива обладает некоторыми преимуществами по сравнению с паровым риформингом, например:

- компактное исполнение вследствие того, что отсутствует косвенная передача тепла,

- короткое время запуска, и

- безуглеродная работа даже со старшими углеводородами (с более длинными цепочками) в качестве топлива, например нефтью.

Однако имеется недостаток в том, что остаточный газ из батареи 1, имеющий запас энергии от 15 до 25%, не может использоваться для риформинга. В одинаковой степени падает электрический КПД. Однако итоговый КПД остается на 100%, так как работа происходит в режиме конденсации.

Описания на фиг.2 соответствуют таковым на фиг.1, со следующими отличиями:

Автотермическая риформинг-установка содержит реакционную камеру 26 и теплообменник 27 для предварительного подогрева смеси пара/топлива и воздуха с вытекающим продуктом риформинга. Температура в реакторе 26 управляется с помощью датчика 22 и воздушного клапана 28. Большой избыток пара, который доставляется охладителем батареи, вносит вклад в безопасность процесса, в частности, когда используется сложное топливо (нефть и т.д.). КПД у риформинг-установки выше 90%, когда теплообменник 27 является высокоэффективным противоточным устройством. Остаточный газ, который не прореагировал в батарее, сжигается с воздухом во второй камере 29 сгорания и затем перемещается в конденсатор 11.

Самыми важными преимуществами являются:

- Высокотемпературная батарея, и рационально также стадия сдвига термостатируются в прямом контакте с каналами испарения и с помощью давления пара.

- Размер устройства уменьшается. В дополнение к батарее и риформинг-установке требуются только воздуходувка, водяной насос, конденсатор и немного вентилей и патрубков.

- Управление процессом и мониторинг процесса очень простые. Имеется только одна схема управления для температуры риформинг-установки. Приблизительно пропорциональное управление достаточно для массовых расходов топлива, воздуха и воды.

Электрические КПД всей системы выше, чем у систем предшествующего уровня техники. В сочетании с паровой риформинг-установкой может достигаться электрический КПД выше 40%, и свыше 35% с помощью автотермической риформинг-установки. В обоих случаях итоговый коэффициент эффективности для тока и тепла приблизительно равен 100%.

Чтобы осуществить риформинг, соотношение пара/топлива, так называемое соотношение пара/углерода или соотношение S/C, должно управляться, например, при паровом риформинге, приблизительно при S/C=3. Независимо от выходной мощности топливный элемент выпускает энергию, то есть приблизительно половину как ток и половину как тепло отработанных газов. Если тепло отработанных газов используется для парообразования, результатом является соотношение S/C, равное приблизительно 5. Конечно, это более чем необходимо, однако нет необходимости в измерении и управлении массовыми расходами.

Следовательно, например, температура батареи термостатируется с помощью давления пара в 10 бар и при температуре приблизительно 160°C-180°C, то есть независимо от выходной мощности. Это может достигаться с помощью простого поддерживающего давления клапана.

Система топливных элементов, в соответствии с изобретением, используется для генерации тока и тепла из жидкого и газообразного топлива. Упомянутая система содержит риформинг-установку и батарею топливных элементов, имеющую рабочую температуру свыше 120°C и предоставляющую тепло отработанных газов, которое используется для парообразования в каналах 2 испарения. Каналы 2 испарения размещаются так, чтобы находиться в прямом тепловом контакте с батареей 1, которую нужно охлаждать. На выпуске каналов 2 испарения располагается поддерживающее давление устройство для регулирования давления в упомянутых каналах до значения, которое приведет к нужной температуре батареи.

Изобретение относится к системе топливных элементов для преобразования энергии из жидкого и газообразного топлива в электрический ток. Согласно изобретению система топливных элементов содержит риформинг-установку и батарею топливных элементов, имеющую рабочую температуру свыше 120°С и предоставляющую тепло отработанных газов, которое используется для парообразования в каналах (2) испарения. Каналы (2) испарения размещаются так, чтобы находиться в прямом тепловом контакте с батареей (1), которую нужно охлаждать. На выпуске каналов (2) испарения располагается поддерживающее давление устройство для регулирования давления в упомянутых каналах до значения, которое приведет к нужной температуре батареи. Техническим результатом является увеличение КПД, упрощение общего процесса, обеспечение безопасной автоматической работы. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система топливных элементов для генерации тока и тепла из жидкого и газообразного топлива, содержащая риформинг-установку и батарею топливных элементов, имеющую рабочую температуру свыше 120°С и предоставляющую тепло отработанных газов, которое используется для парообразования в каналах (2) испарения, отличающаяся тем, что
каналы (2) испарения размещаются так, чтобы находиться в прямом тепловом контакте с батареей (1), которую нужно охлаждать, и тем, что
на выпуске каналов (2) испарения располагается поддерживающее давление устройство для регулирования давления в упомянутых каналах до значения, которое приведет к нужной температуре батареи.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что поддерживающее давление устройство содержит поддерживающий давление клапан (16), при помощи чего водоотделитель (15) встраивается перед упомянутым поддерживающим давление клапаном.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что батарея (1) заключается в сосуд (3) с вакуумной изоляцией с нагревателем (4) в режиме ожидания.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что реактор (5) сдвига также нагревается или охлаждается с помощью пара, причем реактор находится в теплоотдающем взаимодействии с каналами (6) испарения.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что каналы (6) испарения являются терморегулируемыми, предпочтительно термостатируемыми, с помощью поддерживающего давления устройства (16).

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что реактор (5) сдвига размещается в сосуде (3) с вакуумной изоляцией.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что поддерживающее давление устройство содержит поддерживающий давление клапан (16), и тем, что за поддерживающим давление клапаном (16) размещается струйный насос (17) впуска жидкости для риформинг-установки.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что управляющее устройство (25) изменяет массовые расходы для топлива с помощью клапана (14), для воздуха с помощью вентилятора (13) и для воды с помощью насоса (8), приближенно выраженные при необходимости пропорциональным образом.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что риформинг-установка является паровой риформинг-установкой с косвенным нагревом.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что риформинг-установка является автотермической риформинг-установкой.

11. Способ для генерации тока и тепла из жидкого и газообразного топлива, содержащий риформинг-установку и батарею топливных элементов, имеющую рабочую температуру свыше 120°С и предоставляющую тепло отработанных газов, которое используется для парообразования, при этом
батарея (1) охлаждается, поскольку каналы (2) испарения размещаются так, чтобы находиться в прямом тепловом контакте с батареей (1), которую нужно охлаждать, и
на выпуске каналов (2) испарения располагается поддерживающее давление устройство для регулирования давления в упомянутых каналах до значения, которое приведет к нужной температуре батареи.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что реактор (5) сдвига также нагревается или охлаждается с помощью пара, при этом реактор находится в теплоотдающем взаимодействии с каналами (6) испарения.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что каналы (6) испарения являются терморегулируемыми, предпочтительно термостатируемыми, с помощью поддерживающего давления устройства (16).

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что сформированный пар смешивается с топливом для риформинг-установки посредством струйного насоса.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что управляющее устройство (25) изменяет массовые расходы для топлива с помощью клапана (14), для воздуха с помощью вентилятора (13) и для воды с помощью насоса (8), приближенно выраженные при необходимости пропорциональным образом.

16. Способ для генерации тока и тепла из жидкого и газообразного топлива, содержащий риформинг-установку и батарею топливных элементов, при помощи которых соотношение пара/топлива (соотношение S/C) автоматически управляется и/или регулируется путем использования тепла отработанных газов батареи для подачи пара в риформинг-установке.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что температура батареи автоматически управляется с помощью температуры влажного пара.